Jeoloji Mühendisliği 24 (1) 2§®§
Araştırma alakaHesUResewreh Article
Hoek-Brown görgül yenilme ölçütüne ilişkin değişiklik önerileri ve benlerin uygulanabilirliği
Suggested modifications to the empirical Hoek-Brown failure criterion and their applicability
Reşat ULUSAY, Harun SÖNMEZ
oz
Sık aralıklı süreksizlikler1 içeren kaya kütlelerinin dayanımlarının laboratuvarda tayininde kullanılacak örnek- lerin temsil edici olabilmesi amacıyla, klasik örnek boyutlarının dışına çıkılarak, çok büyük örneklere gereksinim duyulmaktadır. Ancak, bu tür kaya kütlelerinde metre boyutunda örnek alımı mümkün olmayıp, bu boyuttaki ör- neklerin yerleştirileceği çok büyük deney hücrelerinin geliştirilmesi, de göçtür., Bu güçlük, 80'li yıllardan bu ya- na kollanılan Hoek-Brown görgül yenilme ölçülüyle aşılmaya çalışılmaktadır. Zayıf kaya. kütlelerine uygulanma- sında, ortaya çıkan bazı sınırlamalardan dolayı,, önerildiği 1980*den günümüze değin ölçüt, yaratıcıları tarafından pek çok kez değişikliğe uğramıştır,. 1994'e kadar Jeomekanik Sınıflama Sistemlinden belirlenen. RMR değerini esas alan ölçüte,, 1994' ten sonra doğrudan RMR'ın kullanılması yerine, yine. RMR. değerinden belirlenen Jeolo- jik Dayanım İndeksi (Geological Strength. Index-GSI) dahil edilmiştir. Ölçütün 1997 yılındaki son versiyonunda;
RMR'dan bağımsız ve herhangi bir kaya kütlesi parametresi için sayısal değer esas alınmaksızın, sadece kaya kütlesinin görsel olarak tanımlanmasına dayalı bir GSI Sınıflama Sistem'nin kullanımına geçilmiştir.. Güncel GSI Sınıflama Sistemi'nde, GSI değerleri kaya kütlesinin, görünümüne ve 'tanımlanmasına göre belirlenmekte ve bu. uygulama genel olarak sübjektif bir değerlendirmeye yol açmaktadır:. GSI sistemi İle ilgili tartışmaya açık. di- ğer bir husus, ise, yenilme ölçütünün son versiyonunda, örselenmiş, ve örselenmemiş kaya kütlelerinin mühendis- lik parametrelerinin belirlenmesine yönelik bir kılavuzun mevcut olmayışıdır. Ölçütün son versiyonunun destek- lendiği herhangi bir' araştırmanın bulunmayışı da, güncel. GSI sisteminin güvenilirliği ve/veya performansı hak- kında yorum yapılmasını olanaksız kılmaktadır:. Bu yazıda,, GSI sistemine ait. yukarıda değinilen belirsizlikler dikkate alınarak, öncelikle GSI değerlerinin daha gerçekçi şekilde ve kolaylıkla tayin edilebilen kaya kütlesi pa- rametrelerine: bağlı olarak hesaplanması amacıyla yazarlar tarafından önerilen değişiklikler ve bunlarla ilgili pu- anlama parametreleri sunulmuştur. Ayrıca, kaya kütlesi parametreleri üzerinde kazı yöntemine bağlı olarak orta- ya çıkan örselenmenin etkisini dikkate alan bir yöntem önerilmiştir. GIS'in yazarlar1, tarafından, rnodifiye edilmiş bu son. hali, Türkiye'den seçilmiş sık. eklemli kaya kütlelerinde' açılmış şevler ile- pasa yığınlarında meydana gel- miş duraysızlıklann .geriye dönük analizlerinde kullanılarak, önerilen sistemin ve yöntemin performansı sulan- mıştır. Analizler, önerilere göre hesaplanmış GSI değerlerinin kullanılması ve örselenme etkisinin yenilme ölçü- tüne dahil edilmesi halinde gerçekçi sonuçların elde edilebileceğini göstermiştir.
Anahtar Kelimeler: Geriye dönük analiz, Hoek-Brown yenilme ölçütü, Jeolojik Dayanım indeksi,, Kaya kütle- si,, Pasa yığını, Şev duraylılığı...
R ULUS AY, H SOMlbZ HdLCllcpc Unı\crsıtesı, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bolumu 06532 BcMcpc. Ankara
rcsal «o-hdLCtlcpc cdıı ir Geological Engineering 24 (1) 2§&0
1
Hoek-Brown ölçütüne ilişkim değişiklik
EXTENDED SUMMARY
The strength of a rock material- is determined in the laboratory on representative standard samples. In the ca- se of a closely jointed rock mass it is not possible to obtain a sample with suitable dimensions to represent the whole rock mass. Since 1980, the empirical Hoek-Brown failure criterion (Hoek and Brown, 1980} began to be used to overcome the difficulties in laboratory shear strength determination of jointed rock masses,. The empiri- cal failure criterion was used in conjunction with the Geomechanics Classification System-RMR (Bieniawski, 1989) until 1994. However, due to the limitations in the RMR classification scheme particularly for very poor qu- ality rock masses and for unrealistic rating adjustments for discontinuity orientation in slopes, the feature crite- rion has been modified over the years.. Recently,, the originators of the criterion introduced a new index., called Geological Strength index (GSI), into the criterion. The GSI is based upon the visual impression on the rock mass structure and consists of twenty codes to identify each rock mass category and to estimate the GSI value (Hoek and Brown, 1997).
Because rock mass classification requires time consuming procedures and has some limitations, the existing GSI system seems a more practical parameter for the determination of the strength of jointed rock masses from field observations. However,, the system is lack of measurable and more representative parameters, and related interval limits or ratings for describing the structure and surface conditions of discontinuities. This situation re- sults in subjective assessments on the determination of the GSI value: In other words,, it is possible to estimate different GSI values for the same rock mass by different persons. The other importani problem of the criterion is the use of undisturbed and disturbed rock mass categories for determining the parameters in the criterion, for which clear guide Une s are lacking.. It is also noted that the data supporting of the revisions have not been pub- lished. These uncertainties make it difficult to judge their validity and performance..
In order to provide a more quantitative basis for evaluating GSI values, the authors of this paper suggested some modifications by introducing easily measurable rock mass parameters with ratings and/or intervals. For the purpose, two terms, namely Structure Rating (SR) based on volumetric joint count and- Surface Condition Ra- ting (SCR) from, the input parameters are introduced into the GSI system, and the modified GSI chart is establis- hed. In the latest version of the failure criterion (Hoek and Brown, 1997; Hoek et al., 1998) average undisturbed in-situ conditions are considered to estimate the GSI without application of any adjustment due to any disturban- ce effect, such as Masting.. Method of excavation,,, major planes of weakness or change in stress are considered, as local features influencing the rock mass at a particular .location. Therefore,, the influence of such factors sho- uld be compensated, and necessary adjustments should be taken into consideration.
In this study, a method was proposed to assess the influence of disturbance on rock constants due to method of excavation as discussed in detail by Sönmez, and Ulusay (1999'),, The modifications and the method suggested have been applied to well studied five slope instabilities from Turkey to check the validity and performance of the modifications and the methodology of parameter estimation, Four cases were selected from the slopes excavated in heavily jointed rock masses and one from spoil piles in a strip coal mine. The application of the suggested mo- difications and the method examined by the hack analysis of the failures indicated that the use of GSI value de- termined from the suggested modified chart and consideration of disturbance effect confirmed the limit equilib- rium condition for the investigated failed slopes. The back analysis results from a spoil pile instability revealed that spoil pile materials consisting ofblocky and angular rock pieces with small amount of fines could be cate- gorized as a disintegrated rock mass in the GSI system and the criterion seemed to be applied to spoil materials,.
However, future applications of the suggested modifications onto failure case studies both from surface and un- derground excavations may provide a better tool for more precise guidelines and to check the performance of the equations of the criterion.
Key Words: Back analysis, Hoek-Brown failure criterion. Geological Strength index, Rock mass, Spoil pile, Slope stability.
2
Jeoloji Mühendisliği 24 (1) 2000
GİRİŞ
Doğal malzemelerin dayanım parametreleri.,,, bu malzemelerden alınmış temsil edici büyüklükteki, ör- neklerin, laboratııvarda standartlara uygun şekilde test edilmesiyle belirlenir,. Ancak, sık eklemli kaya kütlelerinden, sağlam kaya malzemesi ile- birlikte sü- reksizlik sistemlerini de içerecek büyüklükte ve- met- re boyutuna varan örneklerin .alınması genellikle mümkün değildir (Şekil 1). Yeterli büyüklükte örnek alındığı varsayılsa bile, laboratuvar ölçeğinde bu bü- yüklükteki bir örneği test edebilecek hücre ve- ekip- man geliştirilmemiştir. Eklemli kaya kütlelerinin ma- kaslama dayanımının laboratııvarda tayininde karşı- laşılan bu güçlük, 801i yıllardan sonra Bieniawski (1989) tarafından önerilen Jeomekanik Kaya Kütlesi Sınıflama Puanı RMR'ı da bir girdi parametresi ola- rak kabul eden, Hoek-Brown görgül yenilme- ölçütüy- le (Hoek-Brown, 1980)'aşılmaya çalışılmaktadır.
RMR sınıflama sisteminin özellikle zayıf ve çok zayıf kaya kütleleri için içerdiği sınırlamalar ve bu sistemin özellikle şevlerdeki süreksizliklerin yöneli-
mi için. önerdiği, gerçekçi olmayan düzeltme faktörle- ri.,,, Hoek-Brown yenilme ölçütünde de günümüze de- ğin bazı değişikliklerin yapılmasını gerekli kılmıştır.
Hoek-Brown görgül yenilme ölçütünün yazarların, yaptığı çalışmaya (Sönmez ve Ulusay, 1999) kadar geçen, dönemdeki, gelişimi (geçirdiği değişiklikler) Çizelge l'de özetlenmiştir., 1994' e kadar RMR pu- anıyla birlikte 'kullanılan bu ölçüte Hoek. (1994), RMR'ın yerine Jeolojik Dayanım indeksi (GSI) 'ni dahil etmiştir. Başlangıçta,, RMR değeri kullanılarak hesaplanan GSI, daha sonra Hoek ve Brown (1997') tarafından önerildiği biçimde ve kaya kütlesinin gör- sel tanımlanmasını esas alacak şekilde düzenlenmiş bir GSI sınıflama abağından (Şekil 2) belirlenmeye başlanmıştır. Bu sınıflama sisteminde- kaya kütleleri, kayacın içerdiği süreksizliklerin neden olduğu blok- larıma durumuna ve süreksizlik, yüzeylerinin koşulla- rına bağlı olarak 20 farklı sınıfa .ayrılmaktadır.
'RMR sınıflaması, ayrıntıları Sönmez; vd. (1998) tarafından tartışılan bazı sınırlamaları ve zaman alıcı işlemleri, gerektirmektedir. Bu nedenle,, GSI Sınıfla-
Şekil L Sağlam kayaç malzemesinden ileri derecede eklemli kaya kütlesine geçiş ve örnek boyutundaki artış (Hoek 1988'dcn).
Geological. Engineering 24 (I) 2000
3
Hoek-Brown ölçütüne Şişkin değişiklik.
Şekil 2. Güncel GSI sınıflama sistemi (Hoek ve Brown,, 1997'de verilen Çiziğe 3 ve 4'den düzenlenmiştir).
4
Jeoloji Mühendisliği 24 (1) 2000
Çizelge 1. Hoek-Brown yenilme ölçütünün bu çalışmaya değin geçirdiği tarihsel gelişim (Hoek ve Brown, 1997 ile Hoek vd..,, 1998'den düzenlenmiştir)
Kaynak Kapsam Eşitlikler
Hoek (1983) Anızotropik yenilme ve Mohr dairesi için çözümleme konularında Dr. J. W, Bray ile yapılan, değerlendirmeye göre öngörülen düzenleme sonucu ince tane içermeyen ileri derecede eklemi kaya kütleleri için orijinal yenilme ölçütü.
Cjj = 03 + öcîf maa/öa. + S T= (Cotf i- Cos<|)i)niGci/8
$ i = arcta.11 {1 /V4hoos29 - 1 ) O = (90 + arctanCl/i^-lJ/SJ h = l+(l6(m.Gn + scTcî)/(3m20cî))
Hoek ve Brown Yenilme- ölçütü, Hoek (1983) tarafından önerildiği gibi olmakla birlikte, (1988) aşağıdaki bazı düzenlemeleri içermektedir yeraltı suyu puanı için 10
değerinin sabit alındığı ve süreksizlik yönelim düzeltmesi için 0 değerinin verildiği modifiye edilmiş RMR puanı (Bieniawski, 1989) ile m ve s kaya kütlesi sabitleri arasındaki ilişkilerin ilave edilmiş olması, kütlesel detbrmasyon modülü E'nin tahmin edilmesiyle birlikte örselenmiş
ve. örselenmemiş kaya kütleleri arasındaki farklılığın ayırtlannıası.
Hoek vd. (1992) İleri derecede eklemli kaya kiilleierinin çekilme dayanımına sahip olmadığı dikkate alınarak,, ölçüt modifiye edilmiştir: normal ve makaslama gerilimi veri çiftlerinin hesaplanması için Ba,lnier"i:n yöntemi kullanılmıştır.
Hoek (1.994) Yöntem, hem orta kaliteli, hem de çok zayıf kaliteli kaya kitleleri için Hoek vd. (1995) modifiye edilerek genelleştirilmiş Hoek-Brown yenilme ölçütü önerilmiştir.
Bu amaçla: RMR. sınıflama sisteminde çok düşük kaliteli kayaçlara. ilgili
Örselenmiş kaya, kütleleri:
mb/nij = exp((RMR-100')/1.4)
Örselenmemiş veya 'kenetlenmiş kaya kütleleri:
nıb/mi=e:xp((RMR-100)/28) s = exp((RMR-100)/9)
P _ i «ûR-MR-ıO'i««:;
m-^ve nij sırasıyla kınklı ve .sağlam kay aç için öneri. İmiş tır.
01 = 03 + 0cï(mb03./0ci)a
0n=03 +( (0i-03)/{I + dOifdds)) T = (<Jn - O3) İddi fdü3
dG\/dG3 = 1+aiiib (aâ/dci)1*"1' 0, = 03 + ac i (mo3/ocj +s)ï!
GSI > 2.5 için
mb/mj =exp((GSI. - 100),/28) olarak karşılaşılan güçlüklerin aşılması için ölçüte Jeolojik Dayanım İndeksi s = exp((GSl - 100)/9) (GSI) ilave edilmiş; örselenmiş ve: örselenmemiş kaya kütleleri için daha a = 0.5
önce önerilen ayırflama ölçütünden vazgeçilecek bu amaçla GSI değerlerinin GS.I. < 25 için azaltılması yoluna gidilmiştir. s = 0
a = 0.65 - GS1/200
Hoek ve Brown Yenilme ölçütü, Hoek (1994) ve Hoek vd. (1995)'nin önerdiği şekliyle
(1997) kalmakla birlikte, kayacın yapısal özellikleri ve süreksizlik yüzey koşullarını . Hoek (1994)'deki gibi temel alan gözleme: dayalı bir GSİ a'bağı geliştirilerek ölçüte ilave edilmiştir.
Hoek vd. (1998) Ölçüt, Hoek ve Brown (l997)Tun önerdiği ana ilkelerini korumakla birlikte., laminalı, foliasyonlu. kıvrımlı ve makaslanmış türdeki zayıf ve bloklu yapı göstermeyen kaya. kütlelerinin de tanımlanması amacıyla GSI sistemine
"foliayonlu-laminalı" kaya. kütlesi başlıklı bir sınıf daha eklenmiştir.
Hoek (J994)"deki gibi
Geological Engineering 24 (1) 2000 öl = O3 + öd ! m,03/Oci + S Hoek ve Brown ince tane içermeyen ileri derecede eklemli kaya kütleleri için orijinal yenilme _ , , ^, / J~~l—T~l (19R0) ölçütü : Mohr dairesi, Balmer( i 952) taraSındarı yayımlanan yöntemle , ^
hesaplanmış çok sayıda ®''Q}\, t veri çiftinin, istatistiksel olarak , ' ,c ı • , n , „ cı-*
değerlendirilmesiyle elde edilmiştir, o', ve <f3 yenilme .anındaki asal ve tali °n = 03 + ( (gl ~ O3)/(l+<toı İdm)) efektif gerilimler olup,, a. kaya kütlesimn çekilme dayanımı« m ve & malzeme- ^ ^ CCn~Cy3.)1r 0G1/0G3
sabitleri, o'n ve T efektif normal ve makaslama gerilimleridir. dö'ı/303 = mGci/2(0] -O3)
5
Hoek-Brown ölçütüne ilişkim değişiklik
ma Sistemi, kaya kütlelerinin dayanımının belirlen- mesinde yararlanılan çok daha. pratik bir girdi para- metresi olarak gözükmektedir:. Görsel ve sübjektif bir değerlendirmeye dayanan güncel GSI abağındaki kaya kütlesi sınıflarının alabileceği. GSI değerleri ge- niş, bir dağılım, .aralığı sergilemektedir {Şekil 2). Ör- neğin, bloklu ve çok iyi (B/Çl) süreksizlik koşuluna sahip kaya kütlesi, sınıfı için abaktan 63 ile 85 arasın- da değişen GSI değerleri elde edilmektedir.. Bu du- rumda, [güncel GSI atağını kullanarak daha. hassas bir GSI değeri nasıl elde edilebilir?" sorusuna yanıt araıtitiası gerekmektedir. Hoek (1998), jeolojik orta- mın bu. denli duyarlı bir değerlendirmeye açık olma- dığım ve. tek bir GSI değeriyle kaya. kütlelerini ta- nımlamanın pek gerçekçi olamayacağını ifade ede- rek, bu soruyu yanıtlamaya çalışmış ve ayrıca tek ek- senli sıkışma dayanımının,, sağlam kaya. malzemesi- ne- ait sabitlerin, ve GSFın normal dağılım gösterdiği- ni belirtmiştir. Ancak,, normal dağılımla ifade edile- cek GSI değerlerinin, güncel. GSI abağmdan nasıl, be- lirleneceği sorusu ise yanıtsız kalmaktadır.. Ayrıca,, güncel GSI abağının kullanımının sadece uygulayıcı- nın deneyimine dayanan bir değerlendirmeye yol açacağı.,, dolayısıyla bu abaktan. belirlenen. GSI de- ğerlerinin kişiden kişiye değişiklik gösterebileceği de kaçınılmazdır,.
Ölçütün son versiyonunda. (Hoek ve. Brown, 1997; Hoek,, 1998), patlatmaya bağlı olarak kaya küt- lelerinde meydana gelecek, örselenmenin nasıl ifade edileceği yönünde- net. bir açıklama, da bulunmamak- tadır. Sönmez vd. (1998),, değişik kaya kütlelerinde açılmış üç farklı şevde duraysızlıkların geriye- dönük analizini yapmışlar ve Hoek-Brown yenilme ölçütü- nün RMR puanıyla birlikte- örselenmiş kaya kütlesi koşulu için uygulanabilir olduğunu belirlemişlerdir.
Hoek ve Brown (1997), kaya kütlelerinde patlatmaya bağlı olarak gelişecek örselenmenin, kaya kütlesinin örselenmeden önceki GSI değerini ortalama 10 puan civarında düşüreceğini belirtmişler ve bu etkinin, dik- kate alınması için, Şekil 2'deki abaktan yapısal özel- liklere ve yüzey koşullarına göre saptanan GSI değe- rinin aynı kolonda bir satır aşağı, inilerek tekrar belir- lenmesini önermişlerdir. Ancak Sönmez ve Ulusay (1999) tarafından yapılan hesaplamalar, GSI abağın- daki. bu bir satırlık oynamanın kaya kütlesinin, tek ek-
senli sıkışma dayanımını % 70 oranında etkileyece- ğini göstermiştir,. Patlatma açısından dikkate alınma- sı, gereken diğer bir husus ise, patlatmanın şiddetine bağlı olarak örselenmenin etkisinin de değişiklik göstereceğidir.. Bu değerlendirmelerin ışığında, örse- lenme etkisinin Hoek ve Brown (1997)'in önerdiği şekilde- değerlendirilmesinin tartışmalı olacağı görül- mektedir.. Ayrıca, örselenme etkisi için Hoek ve Brown (1997) tarafından önerilen bu yaklaşımın, uy- gulamadan seçilmiş yerüstü ve- yeraltı kazılarında sı- nandığına ilişkin bir çalışma da bulunmaktadır.
Diğer taraftan, Hoek vd.(î998), güncel GSI sınıf- lama, sistemine foliasyonlu veya lamına, içeren.,, ancak bloklu, bir yapı. göstermeyen makaslanmış zayıf ka- yaçları da dahil ederek, beşinci grup bir kaya kütlesi, daha önermişlerdir.. Ancak Hoek (1994), görgül ye- nilme ölçütünün, homojen ve- izotop olarak, kabul edilebilirlikleri dikkate alınarak, sadece sağlam ka- yaç malzemesine veya. ileri, derece eklemli kaya küt- lelerine uygulanabileceğini, vurgulamaktadır. Bunun aksine, söz konusu foliasyonlu/laminalı ve makas- lanmış kayaçların dayanım ve defonnasyon karakte- ristikleri sık aralıklarla dizilmiş makaslama, ve kay- gan foliasyon yüzeyleri, boyunca meydana, gelen yer- deği.şti.rmeler tarafından denetlenmektedir., Bu tür ka- ya kütlelerinin, izotrop ve- homojen olmayan özellik- leri dikkate .alındığında., güncel GSI sistemine bu ka- yaçları içeren yeni bir kaya kütlesi sınıfının dahil edilmesi gerçekçi görülmemektedir.. Bu nedenle, bu çalışmada dört kaya. kütlesi sınıfını içeren güncel GSI sistemi, irdelenmiştir.
Bu çalışmada, Hoek-Brown yenilme ölçütüne ilişkin olarak ayrıntısı -Sönmez, ve Ulusay (1999) ta- rafından verilen- ve özetle yukarıda, değinilen belir- sizliklerin, giderilmesine- yönelik olarak güncel. GSI sisteminde yapılan değişiklik önerileri ve- örselenme- etkisinin değerlendirilmesi için önerilen yöntem, ve yaklaşımlar1 sunulmuştur;. Bu amaçla, Türkiye'den seçilmiş ve üzerinde ayrıntılı olarak çalışılmış beş şev duraysızlığı .geriye dönük analiz- edilerek, öneri- len, değişikliklerin ve yöntemin geçerliliği (perfor- mansı) sınannııştır.
6
Jeoiofi MuheMdisIiği 24 (1) 20§&
JEOLOJİK, DAYANIM İNDEKSİ (GSI) İÇİN ÖNERİLEN DEĞİŞİKLİKLER
Aynntısı Hoek ve Brown (1997) tarafından veri- len Hoek-Brown yenilme ölçülüne göre kaya kütlesi- nin dayanımı, GSI değeri de kullanılarak, aşağıdaki eşitliklerden, tayin edilmektedir.
m b = m icxp[fî3Lı!fl0]
• V 2.8 i
(2)
GSI>25 için
s = exp/GSI - 100]
a = 05
GSI<25 için.
(3)
(4)
s=0
a = 0.65 200
(5) (6)
B'urada mb, s ve a kaya kütlesinin, .nij ise sağlam kaya malzemesinin sabitleridir. Yukarıdaki eşitlik- lerden de görüleceği üzere, GSI değerindeki küçük bir değişim, kaya kütlesinin dayanımını doğrudan et- kilemektedir. Şekil, 2'de verilen abaktaki süreksizlik, yüzeyi koşulunun ve kaya kütlesi yapısının ölçülebi- len ve/veya tanımlanabilen kaya kütlesi parametrele- ri esas. alınıp daha duyarlı bir şekilde belirlenmesi .amacıyla., yazarlar tarafından bir puanlama, sistemine geçilmesi gerekli görülmüştür. Bu amaçla, "Yapısal Özellik Puanı (SR)11 ve "Süreksizlik Yüzey Koşulu Puanı (SCR)" olarak tanımlanan iki, parametrenin, sisteme dahil edilmesi önerilmiştir.
Güncel GSI abağında (Şekil 2) süreksizlik yüzey- lerinin durumu; süreksizliklerin dolgu,, bozunma ve pürüzlülük özelliklerine bağlı olarak; ÇOK İYİ (Çt), İYİ (1), ORTA (O), ZAYIF (Z) ve ÇOK ZAYIF (ÇZ) olmak üzere beş sınıfa ayrılarak, değerlendirilmekte- dir,.. Yazarlar ise,, süreksizlik yüzey koşulunun tanım- lanması amacıyla, RMR Sınıflama Sistemi'nin dolgu, bozunma ve pürüzlülükle ilgili olarak önerdiği ta- nımlama ve puanlamaları (Bieniawski, 1.989) kullan- mışlar ve 0 ile 18 arasında değişen Süreksizlik Yüzey Koşulu Puanlan (SCR) elde etmişlerdir. Süreksizlik Yüzey Koşulu Puanı,,
(7)
ifadesiyle hesaplanmaktadır. Burada, Rp Rw ve Rf sı- rasıyla pürüzlülük,,, bozunma ve dolgu puanlan olup,, bu puanlandırma,, yazarların önerdiği ve Şekil 3*te verilen modifiye edilmiş GSI abağımn sağ üst köşe- sindeki çizelge kullanılarak yapılmaktadır.
Blok büyüklüğü, kaya. kütlesinin, yapısının tanım- lanmasında kullanılan çok önemli bir belirteçtir. Bü- yük blokların, oluşturduğu kaya kütleleri, küçük bloklardan oluşan kaya kütlelerine oranla daha az de- forme olurlar,. Diğer yandan, blok boyutu küçüldük- çe şev kazılarında duraysızlık. mekanizması sürek- sizlik denetimli duraysızlık mekanizmalarından (düzlemsel, kama ve devrilme türü kaymalar) kütle- sel (dairesel) duraysızlık mekanizmasına doğru geçiş gösterir1 (bkz. Şekil 1). Aynı şekilde, kaya kütlesini oluşturan, blokların, şekli de kaya kütlesinin davranı- şında, önemli rol oynar. Köşeli bloklar birbirlerine daha. iyi keneüenebilirken, yuvarlaklaşmış bloklarda kenetlenme köşeli bloklara oranla daha az olacaktır,.
•Süreksizliklerin sayısı,, aralığı ve devamlılığı kaya kütlesini oluşturan blokların büyüklüğünü ve şeklini denetleyen, parametrelerdir. Bir kaya kütlesini bölen.
süreksizlik setlerinin aralığının düşük olması, blok boyutunun, da küçük olması anlamına gelir. GSI'ın hesaplanmasında kullanılan girdi parametrelerinin sayısının, azaltılarak pratiklik sağlanması açısından hem süreksizlik aralığını, hem de süreksizlik sayısını birlikte ifade, eden hacımsal eklem sayısı (Jv), bu ça-
Geological Engineering 24 (1) 2êê§
7
a\ = 0'3 + 0d (mboy<Jci + s)a (1)
SCR = Rf+Rw+Rf
Hoek-Bmwn ëlçilfëtte Siskin değişiklik
lışmada'Yapısal özellik Puanı (SR) *mn belirlenme- si amacıyla önerilmiştir., Eklemli kaya kütlesi ortamı- nın Jv parametresi,
Borada. Nx, Ny ve Nz birbirine dik yönde ve Lx;, Ly ve Lz uzuDİuğundaki üç hat boyunca karşılaşılan ek- lemlerin sayısıdır. Ancak, bir kaya kütlesi, mostrasın- da ('aynasında) birbirine, dik yönde üç hat etüdünün yapılması çoğu kez mümkün, olamayabilir. Bu husus ve ileri derecede eklemli kaya kütlesi ortamlarının nisbeten homojen ve izotrop kabul edilebilecek özel- likleri gözönüne alınarak, eşitlik 8c,
eşitlikleriyle hesaplanabilir, Burada; S gerçek sürek- sizlik aralığı, N süreksizlik, hat etüdü, boyunca karşı- laşılan süreksizliklerin sayısı, L süreksizlik, setine dik yönlü, etüt hattının uzunluğu, n ise eklem seti sayısı- dır.
Sık. aralıklı ve değişik yönlerde gelişmiş eklemler içeren aşırı derecede parçalanmış kaya kütlelerinde belirgin eklem setlerinin ayirtlan.nia.sj. oldukça güç- tür.. Homojen ve izotrop kabul edilebilecek bu tür ka- ya kütlesi ortamlarında, birbirine dik üç yönde (x, y ve z) yapılan hat etütlerinden belirlenen eklem sayı- larının esas alınıp, Jvrnm aşağıdaki eşitlik kullanıla- rak hesaplanması, yazarlar tarafından uygun ve pra- tik bir yaklaşım olarak önerilmiştir.
, _ NS Ny N z Lx Ly Lz
(8c)
(8d)
şeklinde- düzenlenmiştir. Burada; N eklem, sayısı, L ise süreksizlik etüt hattının toplam uzunluğudur.
Jv parametresi için gereksinim duyulan sınır de- ğerleri için ISRM (1981) tarafından önerilen aralık- lar (Çizelge 2) esas alınmış ve ayrıntısı Sönmez ve Ulusay (1999) tar.afi.ndan verilen bir yaklaşımla Ya- pısal, özellik Puanı (SR) GSI sistemine uyarlanmış- tır.. Buna göre Yapısal özellik Puanı (SR), belirlenen Jv değeri için Şekil 3'tin. sol üst. köşesinde verilen gra- fikten, tayin edilmektedir,. Böylelikle,, Şekil 2'de veri- len güncel GSI Sınıflama Sistemi, abağı, bu çalışma- da önerilen. SR ve- SCR parametrelerinin sisteme da- hil edilmesiyle daha hassas ve uygulayıcıdan kay- naklanabilecek hatayı önemli ölçüde azaltacak şekil- de modifiye edilmiştir;. Bu düzenlemeye göre;, Şekil 3'''ün üst kısmında verilen grafikten ve çizelgeden be- lirlenecek olan SR ve SCR. puanlarının abaktaki ke- sim noktasından GSI değeri tayin edilebilmektedir:.
Çizelge 2. Blok boyutu tanımlamaları ve Jv parametresi için ISRM (1981) tarafından ve bu çalışmada önerilen aralıklar.
ISMR (1981)'in tanınılan Jv (eMenı/nı3) GSI için önerilen tanımlar (bu çalışma) Çok büyük bloklar
Büyük Bloklar Orta boyutlu bloklar1 Küçük bloklar Çok küçük bloklar Parçalanmış/Ufalanmış
1-3 3-10 10-30 30-60
>60
BLOKLU (B) ÇOK BLOKLU (ÇB)
BLOKLU/ÖRSELENMİŞ (B/Ö) PARÇALANMIŞ
J¥N L + N 2 .+ ... +H L (8 a>
L| L-2 Ln ,„
J
v-L
+-L
+ +-L (
8 b>
Sı Sı Sn
' - ^
»
10 Hœk'Bntwn ëlçutiÎMe ilişkim değişiklik
ÖRSELENME ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI İÇİN ÖNERİLEN YAKLAŞIMLAR
Uygulanan kazı yöntemi (ekskavatörle kazı, pat- latma, vb.)» makaslama zoolarının varlığı ve teknik girişim sırasında gerilini alanında meydana gelen de- ğişimler gibi yerel etkiler, kaya kütlesinle dayanımı- nı azaltmaktadır (Kendorsky vd.,'*1983; Laubsc- her,1990; Romana, 1993). Patlatma ile yapılan kazı- larda., doğal süreksizliklerin açıklıkları .artmakta, ay- nı zamanda patlatma, sırasında, gelişen çatlaklarla (yapay kırıklar) kaya kütlesi, doğal durumuna oranla daha zayıf bir' özellik kazanmaktadır. Sönmez vd.
(1998), örselenmiş kaya kütlesi koşulunu dikkate alarak, RMR puanlarını ve yenilme ölçütünün 1988:
versiyonunu (Hoek ve Brown, 1988) kullanarak du- raysızlığa maruz kalmış şevler için yaptıkları geriye dönük analizlerde, örselenmenin etkisini yansıtan bir azaltma faktörünün analizlerde dikkate Mınmasınıo incelenen yenilmiş kaya kütleleri, için duraysızlık ko- şulunu, sağladığını göstermişlerdir. Yenilme ölçütü- nün. 1994'den. önceki versiyonunda malzeme sabitle- ri olan m.b ve s'in hesaplanması için örselenmiş ve ör- selenmemiş kaya kütleleri için. iki farklı eşitlik kulla- nılmaktaydı. Ancak, ölçütün soo versiyonunda (Ho- ek-Brown, 1997) nıb ve s sabitlerinin 2 ve 3 numaralı eşitliklerden hesaplanması ve örselenme etkisinin , ise, kazı. aynasında, yapılacak gözlemlerle tayin edile-
cek GSI değerine göre değerlendirilmesi önerilmiş- tir. Bu. öneride uygulanan, kazı yönteminin, yarataca- ğı örselenmenin kütleyi hangi ölçüde etkileyeceği kestirilememekte, dolayısıyla bu belirsizlik güncel GSI sistemi, açısından diğer bir sınırlama, olarak orta- ya çıkmaktadır.
Bu çalışmada, örselenme etkisinin dikkate alınma- sı amacıyla dört farklı yaklaşım önerilmiş ve bunlar, Türkiye'nin değişik bölgelerindeki, farklı kaya kütlele- ri içerisinde gelişmiş şev duraysızlıklarının geriye dö- nük .analizlerinde kullanılarak sıeanmıştır. Örselenme faktörü (dr) için., incelenen her kaya ortamında uygu- lanan kazı yöntemi (ekskavatörle kazı, patlatma vb.) dikkate alınarak,, bu kazı yöntemleri için ayrıntısı Ken- dorski vd. (1983) tarafından verilen ve 1 ile 0.8 arasın- da değişen değerler kullamlmıştır., .Analizlerde dikka- te alınan, yaklaşımlar sırasıyla aşağıda verilmiştir,
1. 'Yaklaşım: Kaya kütlesinin makaslama dayanı- mı, örselenme etkisi için herhangi bir düzeltme ya- pılmadan.» 2- ve 3 nolu eşitlikler kullanılarak belirlen- miş olup, geriye dönük, an.alizl.er1 de bu veriler esas alınarak yapılmıştır
.2. Yaklaşım: Kazı yöntemine bağlı olarak İ'den küçük bîr- değerle ifade edilen örselenme, faktörü (df) GSI değeri ile çarpılmış ve azaltılmış (indirgen- miş) bu GSI değeri 2 ve 3 numaralı eşitliklerde kol- lanılarak geriye dönük an.ali.zler1 gerçekleştirilmiştir.
3.. Yaklaşım: incelenen her duraysızlık. için geçer- li olan örselenme türü dikkate alınarak seçilen, örse- lenme faktörü, değerleri (df), 2 ve 3 numaralı eşitlik- lerin paydalanyla çarpılarak hesaplanan kaya kütlesi sabitleri,. m.b ve s parametreleri, geriye dönük analiz- lerde kullanılmıştır.
ino\ (1 O a)
s = expj-GSI-lOO] (10b)
4. Yaklaşım: Yöntemin 1994 versiyonuna kadar1 (Hoek, 1994), kaya kütlesi sabitleri. rn.b ve s hesapla- nırken. 2 ve 3 numaralı eşitliklerin paydasında örse-
m b = m i
expfGŞEİd00) <
9 a>
\ 28 /
S = e x/ G Ş F ^ J O O \ (9b)
a = 0.65-GŞ^* ( 9 c )
200
mb = m iexpfGSI-"».)
I 28*4 I
Jeoloji Mükendistiği 24 (1) 2ꧧ 11
lenmemiş ve örselenmiş kaya kütlesi koşullarında sı- rasıyla, nıbl için 28 ve 14, s için ise 9 ve 6 değerleri kullanılmaktaydı (Çizelge 1). Ancak ta üst ve alt li- mit değerleri, arasında kalan ve. farklı örselenme de- recelerini de yansıtan azaltma faktörlerinin kullanıl- masının daha gerçekçi olacağı dikkate alınarak, 2 ve 3- numaralı eşitliklerin paydalarının söz konusu alt ve üst sınır değerlerinin arasında değişmesi, gerektiği düşünülmüştür. Bu amaçla söz konusu iki. eşitliğin, paydasına. bm ve bs gibi iki katsayı eklenerek eşitlik- ler aşağıdaki gibi yeniden düzenlenmiştir.
nib = mı exp/ G S L J 0 0 \( b m = 1 4.2 8 )
I bm /
(U)
(12)
Bu yaklaşımda, örselenmenin derecesine bağlı olarak, nıb ile ilgili 11 numaralı eşitliğinin, paydasının 14'den 28*e, s'e ait 1.2 numaralı eşitliğin paydasının ise 6'dan. 9'a kadar değişen değerler alabilmesi öngö- rülmüştür, örselenme faktörü (df) ile bu değişimin ifade edilebilmesi için kazı yöntemine bağlı olarak değişik örselenme derecelerine sahip kaya kütlelerin- de gelişmiş dört şev duraysızlığının geriye- dönük analizi yapılmıştır.. Bu analizlerde- mh ve s parametre- lerine ilişkin eşitliklerin paydalarına 5 farklı değer (n\ için 28 ile 14; s için 9 ile 6 arasında değişen bm ve- bs değerleri) atanarak güvenlik, katsayıları (FOS) hesaplanmıştır:. Daha sonra,, hesaplanan güvenlik katsayılarına karşılık bm ve bs grafikleri çizilerek du- raysizlik koşulunu (FOS=1) sağlayan bm ve bs değer- leri bu grafiklerden belirlenmiştir. Son aşamada, ge- riye dönük analizlerden seçilen düzeltme- faktörüne (dr) karşılık elde edilen bm ve bs veri çiftlerine- ilave olarak, örselenmemiş kaya kütlesi koşulu için (dpi) bm=28 ve bs=9, ileri derecede örselenmiş, kaya kütle- si (pasa malzemesi) koşulu (dpö.8) için ise, bra= 14 ve- b;s= 6 veri çiftleri de bu verilere- eklenerek drbm/bs
grafiği çizilmiştir (Şekil 4).
YENİLME ÖLÇÜTÜYLE İLGİLİ DEĞİŞİKLİK ÖNERİLERİNİN SINANMASI
Malzeme ve Yöntem.
Yukarıdaki bölümlerde- kısaca tartışılan, değişik- lik, önerilerinin sınanması amacıyla, kaya. kütlesi özellikleri ile duraysızlık, koşullan ve mekanizmaları ayrıntılı olarak araştırılmış üç linyit açık işletmesi (Ulusay, 1991; Sönmez vd, 1998; Ulusay vd., 1998) ile bir bant açık. işletmesindeki (Ulusay ve Yücel,.
1989) ocak şevlerinde- ve bir linyit işletmesindeki. pa- sa yığınlarında (Ulusay vd.,1995 a ve b, 1996) mey- dana, gelmiş şev duraysızlıklanndan yararlanılmıştır (Şekil 5). Söz 'konusu kaya. kütlelerinin ve pasa mal- zemesinin özelliklerine ilişkin ayrıntılar Sönmez ve Ulusay (1999) tarafından, tartışılmış olup, bu özellik- lere ve GSI sistemi için yapılan değişildik önerileri- ne göre Şekil 3'teki abaktan belirlenen parametreler, incelenen, tüm duraysızhklar için Çizelge 3'te özet olarak, verilmiştir., İncelenen şev duraysızlıklanna ilişkin duraysızlık. öncesini ve sonrasını temsil, eden kesitler Şekil 6 ve 7'de görülmektedir. Eskihisar lin- yit işletmesindeki şev duraysızlığı, şev tepesinin ge- risindeki geçici bir pasa. yığınından kaynaklanan yü- kün etkisiyle gelişmiş bir duraysızlıktır (Ulu- say, 1991). Bu duraysızlığın geriye dönük analizinde, pasa yükünün kayan kütle üzerindeki etkisi» ayrıntısı- Sönmez vd. (1998) tarafından açıklanan ve Şekil 8'de verilen modele uygun şekilde dikkate alınmıştır.
Göynük-Himmetoğlu işletmesinde ileri derecede ek- lemli mam kaya kütlesinde gelişen duraysızlık, da- iresel şekilde başlayıp tabakalaşma düzlemi boyunca devanı eden, birleşik bir yenilme yüzeyi üzerinde ge- lişmiştir. Bu duraysızlığın Ulusay vd., (1998) tarafın- dan yapılan geriye dönük, analizi sonucunda,, hareket sırasında, kayma yüzeyinin bir bölümünü oluşturan tabakalanma düzlemlerinin makaslama dayanımının artık değerlere (cr=L4 kP'a,,, ^=12°) doğru azaldığı belirlenmiş ve bu değerler bu çalışmada da. esas alın- mışür. Geriye dönük analizler, HOBRSLP isimli bir bilgisayar programıyla (Sönmez vd.,, 1998) gerçek- leştirilmiş ve program bu çalışmada yapılan önerile- ri ve- yaklaşımları da. içerecek şekilde yeniden düzen- lenmiştir.
Geological Engineering 24 (1). 2000
s = exp(GSI-100| ( b s = 6.9 )
I b
sI
12 Hoek-Brown ölçütüne HkMm değişiklik
Şekil 4.. Hoek-Brown eşitlikleri için. önerilen değişikliklerin sınanmasında kollanılan 4 numaralı yaklaşımın aşa- malarını gösteren grafikler.
Yazarlar, örtü kayacının kazılarak başka, bir alana dökülmesiyle oluşturulan pasa yığınlarının, fazla miktarda ince tane içermemeleri koşulunda, köşeli ve yuvarlak kaya bloklarından oluşan, ve kenetlenme de- recesi zayıf, aşın derecede kırıldı kaya kütleleri, ola-
rak da değerlendirilebilecekleri görüşündedirler. Bu.
yaklaşımdan hareketle,, pasa. malzemelerinin makas- lama, dayanımlarının tayini .amacıyla. Hoek-Brown yenilme ölçütünün, dolayısıyla GSI kavramının kul- lanılması öngörülmüştün Bu yaklaşımın da sınanma-
Jeoloji Mühendisliği 24 (1) 2Û00 13
Çizelge 3,. İncelenen kaya kütleleri ve pasa malzemesi için modifıye edilmiş GSI sınıflamasında kullanılan parametreler
Parametre Eskitıisar Başkoyak Kısrakdeıe Himmetoğtu Eskitıisar (pasa yığını)
Sv v y=0.04 S ,=0.75, S2=1.07
S3=0.13, Sb=0.,4
SpO.37 , S2=0.65
sb=o.ıı
dü7-kay°an yüzeyler î 1 ), düz yü/eykr ( I ), kaygan yüzeyler (0)., orta ileri derecede bozunmuş ( I ). ar bwunmus (51, derecede bozunmuş (3), yumuşak dolgıı<5 nırn (2 ) yumuşak dolgu <5 mm (2) yumıışak dolgu <5 mm (2)
15635
0
•4
16 0.97
12.5 42
8 37
0.90
13.3 35
5 27.5
0.97
C-S^O.OSS, Sy=0.081 SZ=O.O83
diz yüzeyler (1),. az- arta derecede bozunmuş (4),, yumuşak dolgu <5 mm (2)
1773
•4
7 26
0.80
>a Gerçek aralık: (eklemler için Sj, S<2, S3„ tabakalarıma düzlemleri için
" Şekil 3'dekî modifıye edilmiş abaktan tayin, edilmiştir
c x, y ve z eksenleri boyunca fotoanali/. yöntemiyle belirlenmiş
^ örselenme etkisi ïçïn azaltma faktörü
si amacıyla Eskihisar (Yatağan-Muğla) linyit işlet- mesinde dairesel yüzeyler boyunca .gelişmiş pasa du- raysızlıklarıodan (Şekil 5e ve 7) yararlanılmıştır.
'Malzeme özellikleri ve- duraysızlık mekanizmaları Ulusay vd, (1995a ve b, 1996) tarafından incelenen bu pasa yığınları,,, linyit horizonunun üzerinden kaldı- rılmış marnlardan oluşmaktadır. Bu nedenle, analiz- lerde aynı marnların tek eksenli sıkışma dayanımı ve- ni| parametresi için tayin edilmiş olan 4.15 MPa ve 9.87 değerleri (Ulusay, 1991) esas alınmıştır. Yerin- de yapılan deneylerden pasa. malzemesinin birim.
ağırlığı 14 kN/m3 olarak belirlenmiştir (Ulusay vd., 1995a). Pasa malzemesini oluşturan kay aç parçaları- nın yüzeyleri; az. pürüzlü, az-orta derecede -bozun- muş ve kalınlığı 5 mm*den küçük yumuşak dolgu içeren yüzeyler olarak tanımlanmıştır, Bu tanımlar kullanılarak Şekil 3'ten SCR puanı (Rr=l, Rw=4 ve Rı==2) 7 olarak belirlenmiştir. Ancak,, pasa. yığınları için süreksizlik seti gibi bir kavramın olmayışı ha- cımsal eklem sayısının (Jv) tayininde güçlük yarat- maktadır.. Bu güçlüğün "aşılması amacıyla, yığını oluşturan ortalama parça boyutunun pasa malzemesi için bir ortalama süreksizlik aralığı değerini temsil edebileceği kabul edilmiştir. Bu .tür malzemeler için ortalama parça boyutunun birbirine dik yönlü üç ek-
sen boyunca belirlenmesi amacıyla, son. yıllarda yay- gın olarak kullanılan ve ekonomik ve hızlı bir' yön- tem olarak bilinen bilgisayar destekli fotoanaliz tek- niğinden yararlanılmıştır (Franklin vd.,, 1988; Singh vd.,, 1991). Amaç doğrultusunda, duraysızlığa uğra- mış pasa yığınının yakınında aynı malzemeden kü- çük, boyutlu yığınlar oluşturulmuş ve seçilmiş bir öl- çek (çapı bilinen bir plaka) ile bir referans- alan (ah- şap karelaj ağı) yığınların üstüne konarak birbirine dik' yönde- fotoğraflar çekilmiştir (Şekil 9). x, y ve z yönlerinde- çekilmiş- görüntüler, bilgisayar1 ortamında sayısallaştırılarak 2 em ve daha, büyük parçalar bo- yutlandınlnuştır. Daha sonra yapıları istatistiksel de- ğerlendirmelerle, parça boyutu, diğer bir ifadeyle- or- talama süreksizlik aralığı, x, y ve z yönlerinde sıra- sıyla,, 0.085 m, 0.081 m ve 0.083 m olarak tayin edil- miştir., Bu değerler, 8e numaralı eşitlikte kullanılarak pasa. kütlesinin Jv değeri 1773, SR puanı ise 4 olarak, belirlenmiş ve Şekil 3'ten pasa kütlesi için GSI 26 bulunmuştur. Yerinde kazılan malzemenin taşınıp yı- ğılmasıyla oluşan pasa. yığınlarının örselenme dere- cesinin ileri düzeyde olacağı dikkate alınarak, örse- lenme- faktörü için literatürde önerilen alt sınır değe- ri olan 0.8 seçilmiştir,.
Geological Engineering 24 (1) 2000
a Süreksizlik S {=0.71 , S2=tX82 aralığı (m.) S3=1.26, Sb=O..65
Sorcksizliderin Düz yıı/cylcr f 11, a/
yil/ey koşullan htvuıımuş (5 i, yıımu^ak (puanlan) dolgu <5 mm S 2 ) Jv 6.14 SR 63 SCR 8
b GSI 43
d tlr 0.94
14 Hoek-Bmwti -ölçütüne ilişkin değişiklik
Şekil 5., Geriye dönük analizi yapılan şev duraysizliklannin lokasyonları ve duraysızİıklardars görüntüler: (a) Eskihisar (Yata- ğan) linyit açık işletmesi; (b) Başkoyak barit işletmesi; (c) Kisrakdere (Soma) linyit açık işletmesi; (d) Himmetoğlu (Göynük) linyit açık işletmesi; (e) Yatağan açık işletmesinde pasa şevi dııraysızlığı..
